(Krzem), Si – chemiczny. element IV grupy układu okresowego pierwiastków; Na. N. 14, o godz. m. 28086. Krzem krystaliczny jest ciemnoszarą substancją o żywicznym połysku. W większości związków wykazuje stopnie utlenienia - 4, +2 i +4. Naturalny krzem składa się ze stabilnych izotopów 28Si (92,28%), 29Si (4,67%) i 30Si (3,05%). Otrzymano radioaktywne 27Si, 31Si i 32Si o okresach półtrwania odpowiednio 4,5 sekundy, 2,62 godziny i 700 lat. K. został po raz pierwszy wyizolowany w 1811 roku przez Francuzów. chemik i fizyk J. L. Gay-Lussac oraz Francuz. przez chemika L. J. Tenara, zidentyfikowany dopiero w 1823 roku przez Szweda, chemika i mineraloga J. J. Berzeliusa.

Krzem jest drugim najpowszechniej występującym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej (27,6%) (po tlenie). Znajduje się premia. w postaci krzemionki Si02 i innych substancji zawierających tlen (krzemiany, glinokrzemiany itp.). W normalnych warunkach powstaje stabilna półprzewodnikowa modyfikacja miedzi, charakteryzująca się sześcienną strukturą skupioną na powierzchni, przypominającą diament, z okresem a = 5,4307 A. Odległość międzyatomowa 2,35 A. Gęstość 2,328 g/cm. Pod wysokim ciśnieniem (120-150 kbar) przekształca się w gęstsze modyfikacje półprzewodnikowe i metalowe. Modyfikacja metalu to nadprzewodnik o temperaturze przejścia 6,7 ​​K. Wraz ze wzrostem ciśnienia temperatura topnienia spada z 1415 ± 3°C przy ciśnieniu 1 bara do 810°C przy ciśnieniu 15 104 barów (punkt potrójny współistnienie półprzewodnika, metalu i cieczy K. ). Podczas topienia następuje wzrost liczby koordynacyjnej i metalizacja wiązań międzyatomowych. Krzem amorficzny jest bliski cieczy w swoim uporządkowaniu krótkiego zasięgu, co odpowiada silnie zniekształconej strukturze sześciennej skupionej na ciele. Temperatura Debye'a jest bliska 645 K. Współczynnik. rozszerzalność liniowa temperatury zmienia się wraz ze zmianami temperatury zgodnie z ekstremalnym prawem, poniżej temperatury 100 K staje się ujemna, osiągając minimum (-0,77 10 -6) deg -1 w temperaturze 80 K; w temperaturze 310 K wynosi 2,33 · 10 -6 st. -1, a w temperaturze 1273 K -4,8 · 10 st. -1. Ciepło topnienia 11,9 kcal/g-atom, temperatura wrzenia 3520 K.

Ciepło sublimacji i parowania w temperaturze topnienia wynosi odpowiednio 110 i 98,1 kcal/g-atom. Przewodność cieplna i elektryczna krzemu zależy od czystości i doskonałości kryształów. Wraz ze wzrostem współczynnika t-ry. Przewodność cieplna czystego K. najpierw wzrasta (do 8,4 cal/cm X X sec · st. w temperaturze 35 K), a następnie maleje, osiągając 0,36 i 0,06 cal/cm · sec · st. w temperaturze odpowiednio 300 i 300°C. 1200 K. Entalpia, entropia i pojemność cieplna K. w warunkach standardowych wynoszą odpowiednio 770 cal/g-atom, 4,51 i 4,83 cal/g-atom - deg. Krzem jest diamagnetykiem, podatność magnetyczna ciała stałego (-1,1 · 10 -7 emu/g) i cieczy (-0,8 · 10 -7 emu/g). Krzem słabo zależy od temperatury. Energia powierzchniowa, gęstość i lepkość kinematyczna ciekłego węgla w temperaturze topnienia wynoszą 737 erg/cm2, 2,55 g/cm3 i 3 × 10 m2/s. Krzem krystaliczny jest typowym półprzewodnikiem o pasmie wzbronionym wynoszącym 1,15 eV w temperaturze 0 K i 1,08 eV w temperaturze 300 K. W temperaturze pokojowej stężenie wewnętrznych nośników ładunku jest bliskie 1,4 · 10 · 10 cm - 3, czyli efektywna ruchliwość elektronów i dziur wynosi odpowiednio 1450 i 480 cm 2 /v · s, a oporność elektryczna 2,5 · 105 om · cm Wraz ze wzrostem temperatury zmieniają się one wykładniczo.

Właściwości elektryczne krzemu zależą od rodzaju i stężenia zanieczyszczeń, a także od doskonałości kryształu. Zwykle, aby otrzymać miedź półprzewodnikową o przewodności typu p i n, domieszkuje się ją pierwiastkami z podgrup IIIb (bor, glin, gal) i Vb (fosfor, arsen, antymon, bizmut), które tworzą zbiór akceptora i donora poziomach, odpowiednio, zlokalizowanych w pobliżu granic pasm. Do tworzenia stopów stosuje się inne pierwiastki (na przykład), formowanie itp. głębokie poziomy, które determinują wychwytywanie i rekombinację nośników ładunku. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie materiałów o dużej mocy elektrycznej. rezystancja (1010 om cm w temperaturze 80 K) i krótka żywotność nośników ładunku mniejszościowego, co jest istotne dla zwiększenia wydajności różnych urządzeń. Współczynnik. Moc termoelektryczna krzemu zależy w dużym stopniu od temperatury i zawartości zanieczyszczeń, zwiększając się wraz ze wzrostem oporu elektrycznego (przy p = 0,6 oma - cm, a = 103 µV/stopień). Stała dielektryczna krzemu (od 11 do 15) słabo zależy od składu i doskonałości monokryształów. Wzory absorpcji optycznej krzemu zmieniają się znacznie wraz ze zmianami jego czystości, stężenia i charakteru defektów strukturalnych, a także długości fali.

Granica pośredniej absorpcji drgań elektromagnetycznych jest bliska 1,09 eV, bezpośredniej - 3,3 eV. W widzialnym obszarze widma parametry złożonego współczynnika załamania światła (n - ik) w bardzo dużym stopniu zależą od stanu powierzchni i obecności zanieczyszczeń. Dla szczególnie czystego K. (zλ = 5461 A i t-re 293 K) n = 4,056 i k = 0,028. Funkcja pracy elektronu jest bliska 4,8 eV. Silikon jest delikatny. Jego twardość (temperatura 300 K) według Mohsa wynosi 7; HB = 240; HV = 103; I = 1250 kgf/mm2; moduł normowy, sprężystość (polikryształ) 10 890 kgf/mm2. Wytrzymałość na rozciąganie zależy od doskonałości kryształu: dla zginania od 7 do 14, dla ściskania od 49 do 56 kgf/mm2; współczynnik ściśliwość 0,325 1066 cm2/kg.

W temperaturze pokojowej krzem praktycznie nie oddziałuje z odczynnikami gazowymi (z wyjątkiem) i stałymi, z wyjątkiem zasad. W podwyższonych temperaturach aktywnie oddziałuje z metalami i niemetalami. W szczególności tworzy węglik SiC (w temperaturach powyżej 1600 K), azotek Si3N4 (w temperaturach powyżej 1300 K), fosforek SiP (w temperaturach powyżej 1200 K) oraz arsenki Si As, SiAS2 (w temperaturach powyżej 1000 K). Reaguje z tlenem w temperaturach powyżej 700 K tworząc dwutlenek Si02, z halogenami - fluorek SiF4 (w temperaturach powyżej 300 K), chlorek SiCl4 (w temperaturach powyżej 500 K), bromek SiBr4 (w temperaturach powyżej 700 K) i nodid SiI4 (w temperaturach powyżej 700 K) temperatura 1000 K). Reaguje intensywnie z wieloma. metale, tworząc w nich stałe roztwory podstawieniowe lub chemiczne. związki - krzemki. Zakresy stężeń jednorodności roztworów stałych zależą od charakteru rozpuszczalnika (na przykład w germanie od 0 do 100%, w żelazie do 15%, w alfa cyrkonie poniżej 0,1%).

Metale i niemetale w twardym krzemieniu występują znacznie rzadziej i zwykle ulegają retrogradacji. Jednocześnie maksymalna zawartość zanieczyszczeń tworzących płytkie poziomy w K. osiąga maksimum (2 × 10 18, 10 19, 2 × 10 19, 1021, 2 × 10 21 cm) w zakresie temperatur od 1400 do 1600 K. Zanieczyszczenia o głębokich poziomach charakteryzują się zauważalnie niższą rozpuszczalnością (od 1015 dla selenu i 5 10 16 dla żelaza do 7 10 17 dla niklu i 10 18 cm-3 dla miedzi). W stanie ciekłym krzem miesza się w nieskończoność ze wszystkimi metalami, często z bardzo dużym wydzielaniem ciepła. Czysty krzem wytwarza się z produktu technicznego składającego się z 99% Si i 0,03% Fe, Al i Co), otrzymywanego przez redukcję kwarcu węglem w piecach elektrycznych. Najpierw wypłukuje się z niego zanieczyszczenia (mieszaniną kwasu solnego i siarkowego, a następnie kwasu fluorowodorowego i siarkowego), po czym powstały produkt (99,98%) traktuje się chlorem. Zsyntetyzowane oczyszcza się przez destylację.

Krzem półprzewodnikowy otrzymuje się w wyniku redukcji chlorku SiCl4 (lub SiHCl3) wodorem lub termicznego rozkładu wodorku SiH4. Ostateczne oczyszczanie i hodowlę monokryształów przeprowadza się metodą beztyglową-strefową gładką lub według metody Czochralskiego, uzyskując szczególnie czyste wlewki (zawartość zanieczyszczeń do 1010-1013 cm-3) sr > 10 3 om cm. W zależności od przeznaczenia chlorków w procesie wytwarzania chlorków lub podczas wzrostu monokryształów wprowadza się do nich dozowane ilości niezbędnych zanieczyszczeń. W ten sposób przygotowuje się cylindryczne wlewki o średnicy 2-4 i długości 3-10 cm, do celów specjalnych. do celów produkowane są również większe monokryształy. Krzem techniczny, a zwłaszcza z żelazem, stosuje się jako odtleniacze i reduktory stali oraz dodatki stopowe. Szczególnie czyste próbki miedzi monokrystalicznej domieszkowanej różnymi pierwiastkami wykorzystywane są jako podstawa do różnorodnych urządzeń niskoprądowych (w szczególności termoelektrycznych, radiowych, oświetleniowych i fototechnicznych) i wysokoprądowych (prostowniki, przetwornice).

Silikon lub silikon

Krzem jest niemetalem, jego atomy mają 4 elektrony na zewnętrznym poziomie energii. Może je oddać, pokazując stopień utlenienia + 4, i przyłączyć elektrony, pokazując stopień utlenienia - 4. Jednak zdolność przyłączania elektronów do krzemu jest znacznie mniejsza niż w przypadku węgla. Atomy krzemu mają większy promień niż atomy węgla.

Znalezienie krzemu w przyrodzie

Krzem jest bardzo powszechny w przyrodzie. stanowi ponad 26% masy skorupy ziemskiej. Pod względem rozpowszechnienia zajmuje drugie miejsce (po tlenie). W przeciwieństwie do węgla, C nie występuje w przyrodzie w stanie wolnym. Wchodzi w skład różnych związków chemicznych, głównie różnych modyfikacji tlenku krzemu (IV) i soli kwasu krzemowego (krzemianów).

Dostaniesz silikon

W przemyśle krzem o czystości technicznej (95 - 98%) otrzymuje się poprzez redukcję SiO 2 koks w piecach elektrycznych podczas kalcynacji:

SiO2 + 2C = Si + 2CO

SiO2 + 2Mg = Si + 2MgO

W ten sposób otrzymuje się amorficzny brązowy proszek krzemowy z zanieczyszczeniami. Poprzez rekrystalizację ze stopionych metali (Zn, Al) można go doprowadzić do stanu krystalicznego.

W technologii półprzewodników krzem o bardzo wysokiej czystości otrzymuje się poprzez redukcję czterochlorku krzemu SiCl w temperaturze 1000°C 4 pary cynku:

SiCl 4 + 2Zn = Si + 2ZnCl 2

i późniejsze czyszczenie go specjalnymi metodami.

Właściwości fizyczne i chemiczne krzemu

Czysty krystaliczny krzem jest kruchy i twardy, powoduje zarysowania. Podobnie jak diament, ma sześcienną sieć krystaliczną z wiązaniem kowalencyjnym. Jego temperatura topnienia wynosi 1423°C. W normalnych warunkach krzem jest pierwiastkiem mało aktywnym, łączy się tylko z fluorem, ale po podgrzaniu wchodzi w różne reakcje chemiczne.

Jest stosowany jako cenny materiał w technologii półprzewodników. Na tle innych półprzewodników wyróżnia się znaczną odpornością na kwasy oraz zdolnością do utrzymania wysokiej rezystancji elektrycznej do 300°C. Krzem techniczny i żelazokrzem wykorzystywane są także w hutnictwie do produkcji stali żaroodpornych, kwasoodpornych i narzędziowych, żeliwa i wielu innych stopów.

Z metalami krzem tworzy związki chemiczne zwane krzemkami, a po podgrzaniu z magnezem tworzy się krzemek magnezu:

Si + 2Mg = Mg2Si

Krzemki metali przypominają strukturę i właściwości węglików, dlatego krzemki metalopodobne, podobnie jak węgliki metalopodobne, wyróżniają się wysoką twardością, wysoką temperaturą topnienia i dobrą przewodnością elektryczną.

Podczas kalcynowania mieszaniny piasku i koksu w piecach elektrycznych powstaje związek krzemu i węgla - węglik krzemu lub karborund:

SiO2 + 3C = SiC + 2CO

Karborund jest ogniotrwałym, bezbarwnym ciałem stałym, cennym jako materiał ścierny i żaroodporny. Podobnie jak karborund ma atomową sieć krystaliczną. W stanie czystym jest izolatorem, ale w obecności zanieczyszczeń staje się półprzewodnikiem.

Podobnie jak silikon , tworzy dwa tlenki: tlenek krzemu (II) SiO i tlenek krzemu (IV) SiO 2 . Tlenek krzemu (IV) jest stałą, ogniotrwałą substancją, szeroko rozpowszechnioną w przyrodzie w stanie wolnym. Jest to substancja stabilna chemicznie, która oddziałuje tylko z fluorem i gazowym fluorowodorem lub kwasem fluorowodorowym:

SiO 2 + 2F 2 = SiF 4 + O 2

SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O

Podany kierunek reakcji tłumaczy się faktem, że krzem ma duże powinowactwo do fluoru. Ponadto tetrafluorek krzemu jest substancją lotną.

W technologii przezroczysty SiO 2 wykorzystywane do produkcji stabilnego, ogniotrwałego szkła kwarcowego, które dobrze przepuszcza promienie ultrafioletowe, posiada wysoki współczynnik rozszerzalności, dzięki czemu wytrzymuje znaczne chwilowe zmiany temperatury. Amorficzna modyfikacja tlenku krzemu (II), tripoli, ma wysoką porowatość. Służy jako izolator ciepła i dźwięku, do produkcji dynamitu (nośnika wybuchowego) i tak dalej. Tlenek krzemu (IV) w postaci zwykłego piasku jest jednym z głównych materiałów budowlanych. Stosowany jest do produkcji materiałów ognioodpornych i kwasoodpornych, szkła, jako topnik w metalurgii i tak dalej.

Porównując wzory cząsteczkowe, właściwości chemiczne i fizyczne tlenku węgla (IV) i tlenku krzemu (IV), łatwo zauważyć, że właściwości tych związków, zbliżonych składem chemicznym, są różne. Wyjaśnia to fakt, że tlenek krzemu (IV) składa się z więcej niż tylko cząsteczek SiO 2 , ale od ich towarzyszów, w których atomy krzemu są połączone ze sobą atomami tlenu. Tlenek krzemu(IV) (SiO 2 ) n. Jego obraz na płaszczyźnie jest następujący:

¦ ¦ ¦

O O O

¦ ¦ ¦

¦ ¦ ¦

O O O

¦ ¦ ¦

— O — Si — O — Si — O — Si — O —

¦ ¦ ¦

O O O

¦ ¦ ¦

Atomy krzemu znajdują się w środku czworościanu, a atomy tlenu w jego rogach. Wiązania Si-O są bardzo mocne, co wyjaśnia wysoką twardość tlenku krzemu (IV).

Wynalazek ma na celu wytworzenie krzemu z jego tlenku w postaci stopu krzemu i żelaza poprzez redukcję tlenków krzemu i żelaza z ładunku masowego o niskiej zawartości krzemionki za pomocą stałego węgla w temperaturach nieco powyżej temperatury topnienia krzemu. Metoda obejmuje formowanie objętości reakcyjnej pieca na bazie fluorku sodu, wytworzenie w objętości reakcyjnej reżimu topienia rudo-termicznego, załadowanie do objętości reakcyjnej wsadu zawierającego tlenki krzemu, żelaza i tlenku glinu w masie oraz węglowy środek redukujący, topienie wsad w temperaturze 1450 - 1550°C i usunięcie topiącego się produktu z objętości reakcji. Odpady grafitowe z okładzin aluminiowych ogniw elektrolitycznych stosuje się jako węglowy środek redukujący. 1 z. przedmioty f-ly, 1 stół.

Wynalazek dotyczy pirometalurgii, w szczególności wytwarzania krzemu z jego tlenku i może być stosowany do wytwarzania żelazokrzemu. Znana jest reakcja redukcji tlenku krzemu węglem:

SiO2 +2C--->Si+2CO (1)

Zgodnie z pracą zmianę potencjału termodynamicznego Gibbsa można obliczyć za pomocą równania:

G 0 T = 697390-359,07 T,

Stąd G 0 T = 0 i Kр = 1 w temperaturze 1943 K (1670 o C). Oznacza to, że teoretycznie do rozpoczęcia redukcji krzemionki węglem stałym zgodnie z reakcją (1) wymagana jest temperatura 1670 o C. Znana jest elektrotermiczna metoda wytwarzania krzemu w postaci jego związku z węglem (węglik krzemu ) poprzez redukcję tlenku krzemu węglem w potężnych piecach elektrycznych. W znanym sposobie wsad do produkcji węglika krzemu składa się z tlenku krzemu w postaci piasku kwarcowego i koksu naftowego. Redukcję tlenku krzemu węglem koksowym przeprowadza się w temperaturach 2200-2500 o C, natomiast elementem grzejnym pieca jest rdzeń wykonany z bryłowego materiału węglowego. Gdy SiO2 redukuje się węglem, węglik krzemu jako produkt docelowy powstaje w postaci stałej w wyniku reakcji:

SiO2 +3C--->SiC+2CO (2)

G 0 T = 555615-322,11T kal.,

Stąd G 0 T = 0 i Kр = 1 w temperaturze 1725 K (1452 o C). Wadą znanego sposobu wytwarzania krzemu w postaci węglika krzemu jest wysoka temperatura procesu. Istnieje elektrotermiczna metoda wytwarzania krzemu w postaci jego stopu z aluminium (krzemioglinem) poprzez łączną redukcję krzemu i tlenków glinu węglem. W znanej metodzie wsad do produkcji krzemoglinu składa się z kwarcytu (SiO 2), tlenku glinu (Al 2 O 3) i mulitu (3Al 2 O 3 2SiO 2), a jako środek redukujący stosuje się węgiel gazowy i koks naftowy. Redukcję mulitu opisuje równanie:

2/13(3Al 2 O 3 2SiO 2)+ 2C--->4/13Si+12/13Al+2CO (3)

G 0 T = 810828-365,1T cal,

Stąd G 0 T = 0 i Kр = 1 w temperaturze 2221 K (1947 o C). Wadą elektrotermicznej metody wytwarzania krzemu w postaci krzemoglinu jest wysoka temperatura procesu i związana z tym konieczność stosowania pieców do redukcji rudy. Znana jest metoda wytwarzania metali i stopów, w tym krzemu w postaci jego stopu z żelazem, wybranym jako najbliższy analog. (Patent RF nr 2130500, C 22 B 5/10, 1999). Metoda polega na formowaniu objętości reakcyjnej pieca na bazie halogenku metalu alkalicznego, wytworzeniu trybu wytapiania rudo-termicznego w objętości reakcyjnej pieca, załadowaniu wsadu zawierającego luzem tlenki krzemu, żelaza i tlenku glinu oraz węglowy środek redukujący do objętość reakcji, zmniejszając wytapianie wsadu i usuwając produkt wytapiania z objętości reakcji. Celem wynalazku jest otrzymanie krzemu z jego tlenku w postaci stopu krzemu z żelazem (żelazokrzemu), poprzez redukcję tlenków krzemu i żelaza węglem stałym z wsadu masowego o niskiej zawartości krzemionki i dużej zawartości tlenku glinu przy temperaturach nieco powyżej temperatury topnienia krzemu. Określony wynik techniczny osiąga się przez to, że w sposobie wytwarzania krzemu z jego tlenku, obejmującym utworzenie objętości reakcyjnej pieca na bazie halogenku metalu alkalicznego, utworzenie w objętości reakcyjnej trybu wytapiania rudo-termicznego pieca, załadowanie wsadu zawierającego luzem tlenki krzemu, żelaza i tlenku glinu do objętości reakcyjnej pieca oraz węglowego środka redukującego, wytop redukcyjny wsadu i usunięcie produktu wytopu z objętości reakcyjnej, stosuje się fluorek sodu jako halogenek metalu alkalicznego, a wytapianie odbywa się w temperaturze 1450-1550 o C, natomiast jako reduktor stosuje się odpady grafitowe z okładzin elektrolizerów aluminiowych. Metodę przeprowadza się w następujący sposób. Fluorek sodu ładuje się do kąpieli elektrycznego pieca do redukcji rudy, wyłożonej masą węglową lub stanowiącą chłodzoną wodą metalową osłonę, topi się w trybie łuku i doprowadza do stanu ciekłego w trybie rudo-termicznym. Następnie do kąpieli pieca ładowany jest wsad luzem zawierający tlenki krzemu i żelaza (zawartość tlenku glinu może sięgać kilku procent). Następnie do kąpieli pieca ładuje się stechiometryczną ilość węglowego środka redukującego. Stały węgiel unoszący się na powierzchni wytopu redukuje tlenki krzemu i żelaza rozpuszczone w stopionym fluorku sodu, a powstały stop metalu opada na dno pieca. Cykl ładowania wsadu do wytopu - redukcji powtarza się wielokrotnie, natomiast powstały żelazokrzem pozostaje w piecu (wytapia się na bloku) lub jest usuwany przez wylot pieca. Zastosowanie fluorku sodu, którego temperatura topnienia wynosi 996 o C, tłumaczy się faktem, że jego gęstość w stanie stopionym wynosi 1,961 g/cm 3 . Krzem o gęstości 2,42 g/cm 3 redukowany z krzemionki rozpuszczonej we fluorku sodu spuszczany jest na dno pieca. (Próby odtworzenia krzemu z jego tlenku rozpuszczonego w wytopie fluorytu CaF 2 doprowadziły do ​​tego, że zredukowany krzem wypłynął na powierzchnię wytopu fluorku wapnia o gęstości 2,599 g/cm 3 i utlenił się – spalił). Przykład proponowanej metody. W doświadczeniu wykorzystano elektryczny piec łukowy RKZ-2FS-N1, który posiadał wannę o średnicy 1435 mm wyłożoną grafitem i wyposażony w otwór wylotowy w środkowej części obudowy. Napięcie do pieca doprowadzano poprzez trzy elektrody grafitowe o średnicy 150 mm, zasilane z transformatora trójfazowego o mocy 2000 kVA. Do kąpieli pieca wprowadzono fluorek sodu (zawartość NaF - 80%) w ilości 1000 kg oraz 50 kg metalizowanych peletek do zajarzania łuku. Fluorek sodu stopiono w trybie łukowym i doprowadzono do stanu płynnego w trybie rudo-termicznym. Wysokość stopionego fluorku sodu wynosiła 180 mm. Gdy wytop osiągnął temperaturę 1370 o C, do wytopu wprowadzono 1000 kg rudy o wielkości cząstek 0,1-5,0 mm i składzie chemicznym (%): SiO 2 - 70,3; Al2O3 - 4,46; CaO - 4,39; Fe2O3 - 3,52; MgO - 0,84; V2O3 - 0,67; Pb - 0,05; Zn - 0,05; Cu - 0,03; Corg - 7,64; Stotal - 1,12. Gdy wytop osiągnął temperaturę 1550 o C, do wytopu załadowano 500 kg zgorzeliny walcowniczej o wielkości cząstek 5-20 mm, składającej się prawie wyłącznie z tlenku żelaza FeO. Jako środek redukujący zastosowano koks metalurgiczny o uziarnieniu 10-50 mm, zawierający 80% węgla, w ilości 300 kg. Proces redukcji rejestrowano poprzez spalanie tlenku węgla nad kąpielą pieca. Czas wytapiania od rozpoczęcia ładowania wsadu wynosił 4 godziny. 20 minut, po czym metal i żużel wsypywano przez wylot pieca do zbiornika żużla.

PRAWO

1. Sposób wytwarzania krzemu z jego tlenku, obejmujący utworzenie objętości reakcyjnej pieca na bazie halogenu metalu alkalicznego, utworzenie reżimu wytapiania rudy-termicznej w objętości reakcyjnej pieca elektrycznego, załadowanie do reakcji objętościowy wsad zawierający tlenki krzemu, żelaza i tlenku glinu w masie oraz węglowy środek redukujący, wytapianie redukcyjne wsadu i usuwanie produktu wytopu z objętości reakcji, charakteryzujące się tym, że jako halogenek metalu alkalicznego stosuje się fluorek sodu, oraz wytapianie prowadzi się w temperaturze 1450 - 1550 o C. 2. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że jako środek redukujący stosuje się odpady grafitowe z okładzin elektrolizerów aluminiowych.

Wstęp

Twoje mieszkanie jest w trakcie remontu i musisz kupić płytki ceramiczne. W sklepie, po długim czasie przeglądania różnych opcji kształtów i kolorów, znalazłeś ten, który Ci odpowiada i kierując się do kasy, rzuciłeś okiem na chwilę na część opakowania z płytką, na której jest zapisany jej skład. Prawie wszystkie składniki są znane, ale jeden z nich może Cię zaskoczyć: tlenek krzemu. Naturalnie będziesz chciał dowiedzieć się o nim więcej. Dzisiaj postaram się zaspokoić Twoje zainteresowanie.

Definicja

Krzem ma zmienną wartościowość, dlatego w chemii znane są dwa jego związki z tlenem. Dzisiaj przyjrzymy się wyższemu tlenkowi krzemu, w którym ten ostatni ma wartościowość IV.

Nazwa

W różnych źródłach można go nazwać dwutlenkiem krzemu, krzemionką lub tlenkiem krzemu.

Nieruchomości

Jest to tlenek kwasowy, który charakteryzuje się twardością i wytrzymałością. Jeśli podgrzejesz go i jakikolwiek tlenek alkaliczny/zasadowy, zareagują ze sobą. Ten związek krzemu ma charakter szklisty, tzn. może wytworzyć przechłodzony stopiony materiał – szkło.

Ponadto (w czystej postaci) nie przepuszcza prądu elektrycznego (jest dielektrykiem). Tlenek krzemu ma atomową sieć krystaliczną. Jest odporny na kwasy z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego i gazowego fluorowodoru. Produktami reakcji z tymi ostatnimi są fluorek krzemu i woda. Jeśli drugim odczynnikiem jest roztwór fluorowodoru, wówczas jego produktami będzie kwas heksafluorokrzemowy i ta sama woda. Jeżeli tlenek krzemu(IV) skondensuje się z zasadowym/zasadowym tlenkiem/węglanem dowolnego aktywnego metalu, produktem reakcji będzie sól kwasów krzemowych – krzemian, z którego rozpuszczalne są jedynie krzemiany potasu i sodu. Produkty interakcji któregokolwiek z nich z wodą nazywane są płynnym szkłem. Mają silnie zasadowe środowisko, przyczyną tego jest hydroliza. Hydrolizowane krzemiany tworzą nie prawdziwe, ale roztwory koloidalne. Jeśli roztwory krzemianów potasu lub sodu zostaną lekko utlenione, powstanie galaretowaty biały osad składający się z uwodnionych kwasów krzemowych.

Paragon

W przemyśle tlenek krzemu wytwarza się przez ogrzewanie krzemu w środowisku tlenowym. Utlenia się i tworzy pożądany produkt. Ekstrahuje się go również poprzez utlenianie termiczne. W laboratorium tlenek krzemu otrzymuje się przez działanie dowolnego kwasu na rozpuszczalny krzemian, odpowiedni jest do tego nawet słaby kwas octowy. Na przykład, jeśli połączysz go z krzemianem sodu, produktem reakcji będzie octan sodu i kwas krzemowy. Ten ostatni natychmiast ulegnie rozkładowi, a produktami jego rozkładu będzie woda i pożądany tlenek.

Aplikacja

Tlenek krzemu wykorzystywany jest do produkcji szkła, ceramiki, materiałów ściernych, wyrobów betonowych, a także samego krzemu. Służy również jako wypełniacz w przemyśle gumowym. Kryształy amorficznej modyfikacji tlenku krzemu – szkła kwarcowego – posiadają właściwości piezoelektryczne, co wykorzystują twórcy radiotechniki, instalacji ultradźwiękowych i zapalniczek. Krzemiany i krzemionki stanowią prawie 90% masy litosfery. Tlenek krzemu jest również znany jako dodatek do żywności E551. Jest to jego amorficzna, nieporowata odmiana. Zapobiega zbrylaniu się i zbrylaniu żywności, w farmaceutykach stosowany jest jako substancja pomocnicza i lek enterosorbentowy. Folie tego tlenku służą jako izolator przy produkcji mikroukładów i innych elementów elektronicznych. Wykorzystuje się je także do tworzenia kabli światłowodowych. Elementy grzewcze elektronicznego papierosa nie byłyby możliwe bez włókna krzemionkowego.

Wniosek

Oto jak szeroko stosowany jest ten tlenek. I żeby to zobaczyć, nie trzeba biegać do sklepu i z ciekawości patrzeć na cement i beton. Pod naszymi stopami znajduje się naturalny tlenek krzemu – jest to zwykły piasek. Okazuje się, że to też może się przydać.

Charakterystyka elementu

14 Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

Izotopy: 28 Si (92,27%); 29Si (4,68%); 30Si (3,05%)

Krzem jest drugim po tlenie pierwiastkiem występującym w skorupie ziemskiej (27,6% masowych). W przyrodzie nie występuje w postaci wolnej, występuje głównie w postaci SiO 2 lub krzemianów.

Związki Si są toksyczne; wdychanie drobnych cząstek SiO 2 i innych związków krzemu (np. azbestu) powoduje niebezpieczną chorobę - krzemicę

W stanie podstawowym atom krzemu ma wartościowość = II, a w stanie wzbudzonym = IV.

Najbardziej stabilny stopień utlenienia Si wynosi +4. W związkach z metalami (krzemkami) S.O. -4.

Metody otrzymywania krzemu

Najpopularniejszym naturalnym związkiem krzemu jest krzemionka (dwutlenek krzemu) SiO2. Jest głównym surowcem do produkcji krzemu.

1) Redukcja SiO 2 węglem w piecach łukowych w temperaturze 1800”C: SiO 2 + 2C = Si + 2CO

2) Si o wysokiej czystości z produktu technicznego otrzymuje się według schematu:

a) Si → SiCl 2 → Si

b) Si → Mg 2 Si → SiH 4 → Si

Właściwości fizyczne krzemu. Alotropowe modyfikacje krzemu

1) Krzem krystaliczny - srebrzystoszara substancja o metalicznym połysku, sieć krystaliczna typu diamentu; poseł. 1415"C, temperatura wrzenia 3249"C, gęstość 2,33 g/cm3; jest półprzewodnikiem.

2) Krzem amorficzny - brązowy proszek.

Właściwości chemiczne krzemu

W większości reakcji Si działa jako środek redukujący:

W niskich temperaturach krzem jest chemicznie obojętny, po podgrzaniu jego reaktywność gwałtownie wzrasta.

1. Reaguje z tlenem w temperaturach powyżej 400°C:

Si + O 2 = SiO 2 tlenek krzemu

2. Reaguje z fluorem już w temperaturze pokojowej:

Si + 2F 2 = tetrafluorek krzemu SiF 4

3. Reakcje z innymi halogenami zachodzą w temperaturze = 300 - 500°C

Si + 2Hal2 = SiHal4

4. Z parami siarki w temperaturze 600°C tworzy dwusiarczek:

5. Reakcja z azotem zachodzi powyżej 1000°C:

3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 azotek krzemu

6. W temperaturze = 1150°C reaguje z węglem:

SiO2 + 3C = SiC + 2CO

Karborund ma twardość zbliżoną do diamentu.

7. Krzem nie reaguje bezpośrednio z wodorem.

8. Krzem jest odporny na kwasy. Oddziałuje tylko z mieszaniną kwasu azotowego i fluorowodorowego (fluorowodorowego):

3Si + 12HF + 4HNO 3 = 3SiF 4 + 4NO + 8H 2O

9. reaguje z roztworami alkalicznymi tworząc krzemiany i wydzielając wodór:

Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2

10. Właściwości redukujące krzemu wykorzystuje się do izolowania metali od ich tlenków:

2MgO = Si = 2Mg + SiO2

W reakcjach z metalami Si jest utleniaczem:

Krzem tworzy krzemki z metalami s i większością metali d.

Skład krzemków danego metalu może być różny. (Na przykład FeSi i FeSi 2 ; Ni 2 Si i NiSi 2 .) Jednym z najbardziej znanych krzemków jest krzemek magnezu, który można otrzymać w wyniku bezpośredniego oddziaływania prostych substancji:

2Mg + Si = Mg2Si

Silan (monosilan) SiH 4

Silany (wodorokrzemionki) Si n H 2n + 2, (por. alkany), gdzie n = 1-8. Silany są analogami alkanów, różnią się od nich niestabilnością łańcuchów -Si-Si-.

Monosilan SiH 4 jest bezbarwnym gazem o nieprzyjemnym zapachu; rozpuszczalny w etanolu, benzynie.

Metody uzyskania:

1. Rozkład krzemku magnezu kwasem solnym: Mg 2 Si + 4HCI = 2MgCl 2 + SiH 4

2. Redukcja halogenków Si wodorkiem litowo-glinowym: SiCl 4 + LiAlH 4 = SiH 4 + LiCl + AlCl 3

Właściwości chemiczne.

Silan jest silnym środkiem redukującym.

1.SiH 4 utlenia się tlenem nawet w bardzo niskich temperaturach:

SiH 4 + 2O 2 = SiO 2 + 2H 2 O

2. SiH 4 łatwo ulega hydrolizie, zwłaszcza w środowisku zasadowym:

SiH 4 + 2H 2 O = SiO 2 + 4H 2

SiH 4 + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 4H 2

Tlenek krzemu (IV) (krzemionka) SiO 2

Krzemionka występuje w różnych postaciach: krystalicznej, amorficznej i szklistej. Najbardziej rozpowszechnioną formą krystaliczną jest kwarc. Kiedy skały kwarcowe ulegają zniszczeniu, powstają piaski kwarcowe. Monokryształy kwarcu są przezroczyste, bezbarwne (kryształ górski) lub zabarwione domieszkami na różne kolory (ametyst, agat, jaspis itp.).

Amorficzny SiO 2 występuje w postaci opalowego minerału: sztucznie wytwarzany jest żel krzemionkowy, składający się z koloidalnych cząstek SiO 2 i będący bardzo dobrym adsorbentem. Szklisty SiO2 jest znany jako szkło kwarcowe.

Właściwości fizyczne

SiO2 bardzo słabo rozpuszcza się w wodzie i jest praktycznie nierozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych. Krzemionka jest dielektrykiem.

Właściwości chemiczne

1. SiO 2 jest tlenkiem kwasowym, dlatego amorficzna krzemionka powoli rozpuszcza się w wodnych roztworach zasad:

SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O

2. SiO 2 oddziałuje również z tlenkami zasadowymi po podgrzaniu:

SiO2 + K2O = K2SiO3;

SiO2 + CaO = CaSiO3

3. Będąc nielotnym tlenkiem, SiO 2 wypiera dwutlenek węgla z Na 2 CO 3 (podczas stapiania):

SiO 2 + Na 2 CO 3 = Na 2 SiO 3 + CO 2

4. Krzemionka reaguje z kwasem fluorowodorowym, tworząc kwas hydrofluorokrzemowy H 2 SiF 6:

SiO2 + 6HF = H2SiF6 + 2H2O

5. W temperaturze 250 - 400°C SiO 2 oddziałuje z gazowym HF i F 2, tworząc tetrafluorosilan (tetrafluorek krzemu):

SiO 2 + 4HF (gaz.) = SiF 4 + 2H 2 O

SiO 2 + 2F 2 = SiF 4 + O 2

Kwasy krzemowe

Znany:

Kwas ortokrzemowy H4SiO4;

Kwas metakrzemowy (krzemowy) H2SiO3;

Kwasy di- i polikrzemowe.

Wszystkie kwasy krzemowe są słabo rozpuszczalne w wodzie i łatwo tworzą roztwory koloidalne.

Metody odbioru

1. Wytrącanie kwasami z roztworów krzemianów metali alkalicznych:

Na 2 SiO 3 + 2HCl = H 2 SiO 3 ↓ + 2NaCl

2. Hydroliza chlorosilanów: SiCl 4 + 4H 2 O = H 4 SiO 4 + 4HCl

Właściwości chemiczne

Kwasy krzemowe są bardzo słabymi kwasami (słabszymi od kwasu węglowego).

Po podgrzaniu odwadniają się, tworząc produkt końcowy – krzemionkę.

H 4 SiO 4 → H 2 SiO 3 → SiO 2

Krzemiany - sole kwasów krzemowych

Ponieważ kwasy krzemowe są wyjątkowo słabe, ich sole w roztworach wodnych ulegają silnej hydrolizie:

Na2SiO3 + H2O = NaHSiO3 + NaOH

SiO 3 2- + H 2 O = HSiO 3 - + OH - (środowisko alkaliczne)

Z tego samego powodu, gdy dwutlenek węgla przepuszcza się przez roztwory krzemianów, wypiera się z nich kwas krzemowy:

K 2 SiO 3 + CO 2 + H 2 O = H 2 SiO 3 ↓ + K 2 CO 3

SiO 3 + CO 2 + H 2 O = H 2 SiO 3 ↓ + CO 3

Reakcję tę można uznać za reakcję jakościową na jony krzemianowe.

Spośród krzemianów dobrze rozpuszczalne są tylko Na 2 SiO 3 i K 2 SiO 3, które nazywane są szkłem rozpuszczalnym, a ich wodne roztwory nazywane są szkłem ciekłym.

Szkło

Zwykłe szkło okienne ma skład Na 2 O CaO 6 SiO 2, czyli jest mieszaniną krzemianów sodu i wapnia. Otrzymuje się go przez stapianie sody Na 2 CO 3, wapienia CaCO 3 i piasku SiO 2;

Na 2 CO 3 + CaCO 3 + 6SiO 2 = Na 2 O CaO 6SiO 2 + 2СO 2

Cement

Proszkowy materiał wiążący, który w interakcji z wodą tworzy plastyczną masę, która z czasem zamienia się w stałą, przypominającą kamień bryłę; główny materiał budowlany.

Skład chemiczny najpopularniejszego cementu portlandzkiego (w % wagowych) wynosi 20 - 23% SiO 2; 62 - 76% CaO; 4 - 7% Al2O3; 2-5% Fe2O3; 1-5% MgO.